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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Mecánica de suelos II: Ensayo de consolidación.
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RESUMEN
En el presente informe, desarrollaremos los conceptos relacionados y el
método para realizar el ensayo de consolidación; el cual se hizo con la
finalidad de determinar la compresibilidad, la velocidad y grado de
asentamiento de una muestra de suelo inalterado de forma cilíndrica.
El ensayo de consolidación, proporciona información sobre la compresibilidad
de una muestra cuya expansión lateral es impedida.
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INDICE
INTRODUCCION…………………………………………………………PAG. 3
OBJETIVOS…….…………………………………………………………PAG. 4
DEFINICIONES…..………………………………………………….……PAG. 5
MARCO TEORICO…..…………………………..………………….……PAG. 5
EQUIPOS Y MATERIALES…..…………………………………...……PAG. 12
PREPARACION DE LA MUESTRA………………………………...…PAG. 14
PROCEDIMIENTO………………………………………….………...…PAG. 15
RESULTADOS…………………………………………………...………PAG. 16
CURVA DE COMPRESIBILIDAD……………………………….….…PAG. 20
CONCLUSIONES………………………………………………………..PAG. 20
BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………PAG. 21
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INTRODUCCIÓN
El ensayo de consolidación, es de gran importancia, debido a que la consolidación es un
problema natural de los suelos finos, como arcillas y limos, y todas las edificaciones
fundadas sobre este tipo de suelo enfrentarán este fenómeno. Por eso es de vital
importancia conocer el grado de asentamiento total y diferencial de la estructura.
El ensayo puede ser realizado para determinar la ley existente bien entre la presión aplicada
y la deformación resultante, o bien entre la deformación y el tiempo que es ejercida una
presión constante.
La muestra, de forma cilíndrica, es situada dentro de un anillo metálico indeformable y
entre dos discos porosos; un conjunto de pesas calibradas, que actúan mediante un
mecanismo de palancas, empuja un pistón que se desplaza libremente dentro del anillo,
comprimiendo la muestra. Un instrumento de medición lee la deformación axial de la
probeta.
Cuando el suelo es permeable, como es el caso de un suelo granular, o cuando la carga se
aplica a un suelo fino seco (o con bajo grado de saturación), el proceso de deformación con
reducción en el índice de vacíos tiene lugar en un período tan corto que es posible
considerar el proceso como instantáneo. En estos casos existe una deformación vertical
prácticamente inmediata, pero no se reconoce como consolidación.
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OBJETIVOS
1. Asimilar la metodología y procedimientos usados en el ensayo, incluido el tiempo e
intervalos de medición.
2. Conocer la magnitud y rapidez de los cambios de volumen de una muestra al ser
sometida a un ensayo de consolidación.
3. Construir las curvas de consolidación y establecer los puntos importantes a través
del método de Casagrande, para la determinación de las características de
compresibilidad del suelo y rapidez de consolidación.
4. La deducción del tipo de asentamiento que se trata.
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DEFINICIONES
Clases de consolidación. Puede ser Primaria o Secundaria.
Primaria; cuando cargado el suelo, la reducción de volumen se debe a la expulsión
del agua, fenómeno en el que se transfiere la carga soportada por el agua al
esqueleto mineral, esta es la consolidación propiamente dicha.
Secundaria, cuando la consolidación se da por reajuste del esqueleto mineral y
luego de que la carga está casi toda soportada por este y no por el agua.
Evaluación de asentamientos.
La consolidación impone la necesidad de evaluar la magnitud y la velocidad de los
asentamientos. Si el suelo es altamente deformable, las sobrecargas cargas altas producen
asentamientos excesivos. Si el suelo es un limo arenoso, la permeabilidad puede ofrecer
asentamientos rápidos que suelen darse durante la construcción. Si el suelo es limo
arcilloso, los asentamientos pueden prolongarse durante un tiempo importante después de
terminada la obra.
Análisis de asentamientos.
Pueden considerarse dos casos: asentamientos por una sobrecarga en un área infinita, o
asentamiento por sobrecarga en un área de tamaño finito. Lo anterior se define según la
extensión del área cargada en comparación con el espesor de la capa de suelo que se
considera deformable.
Para el caso de un área cargada de extensión infinita, según Terzaghi, “las deformaciones y
el flujo de agua se dan en una dimensión que es la dirección vertical, e interesa la
permeabilidad vertical del suelo”. En este caso se considerará el efecto de la sobrecarga
constante a cualquier profundidad del terreno deformable.
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Para el segundo caso, cuando el área cargada es pequeña como suele darse en el caso de
una zapata, es evidente la deformación tridimensional del subsuelo.
Procesos en la Consolidación
El proceso de consolidación se estudia en dos niveles:
a. Consolidación Primaria
Permite estimar los asentamientos que se van a producir una vez que la carga es
totalmente transferida a la estructura de suelo. Esta etapa que corresponde al fin de
la consolidación primaria, se obtiene de este ensayo y es representada por la curva
de consolidación. Es necesario decir que existe una consolidación secundaria y
corresponde a las deformaciones acumuladas después de que se completa la
consolidación primaria.
b. Proceso Transiente
Este proceso corresponde a la transferencia gradual de los excesos de presión
neutra a la estructura de suelo en el tiempo, lo que nos permite calcular, a partir del
ensayo de laboratorio, la variación de los asentamientos en el tiempo, así como las
presiones neutras y tensiones efectivas en cada punto de la masa de suelo,
igualmente en el tiempo.
Carga de preconsolidación
Todo suelo tiene una historia geológica de esfuerzos que puede investigarse en las curvas
del ensayo de consolidación.
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MARCO TEORICO
Teoría de la consolidación.
Terzaghi propuso el modelo mostrado en la figura para ilustrar el proceso de consolidación,
lo cual se conoce como “Analogía mecánica de Terzaghi”. El mismo consiste en un
recipiente cilíndrico lleno de agua, con un resorte dentro y sobre él un pistón con una
válvula. El resorte representa el esqueleto mineral de un suelo y el agua sería el agua
intersticial del suelo. Se supone que el pistón sin fricción es soportado por el resorte. Al
aplicar una carga al pistón con la válvula cerrada, la longitud del resorte permanece
invariable, puesto que el agua se considera incompresible. Si la carga induce un aumento de
la presión total, entonces la totalidad de este aumento debe ser absorbido por un aumento
igual de la presión del agua. Cuando se abre la válvula, el exceso de presión de agua en la
cámara causa el flujo de ésta hacia afuera, la presión disminuye y el pistón se hunde a
medida que se comprime el resorte. En esta forma, la carga se transfiere en forma gradual al
resorte, reduciendo su longitud, hasta que toda la carga es soportada por el mismo. Por
consiguiente, en la etapa final, el aumento de la presión efectiva es igual al aumento de la
presión total, y el exceso de presión de agua se reduce a cero. La velocidad de compresión
depende del grado de apertura de la válvula, esto es análogo a la permeabilidad del suelo.
Figura 1. Analogía mecánica de Terzaghi.
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Las hipótesis que se consideraron para el desarrollo de la teoría de la consolidación son las
siguientes:
1. El suelo está totalmente saturado y es homogéneo.
2. Tanto el agua como las partículas del suelo son incompresibles.
3. Se puede aplicar la ley de Darcy para el flujo del agua.
4. La variación de volumen es unidimensional en la dirección del esfuerzo aplicado.
5. El coeficiente de permeabilidad en esta dirección permanece constante.
6. La variación de volumen corresponde al cambio en la relación de vacíos y
permanece constante.
Figura 2. Esquema de consolidación en terreno (ELE Internacional Ltda. 1993).
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Método de Casagrande para la Determinación Gráfica de la carga de
preconsolidación, .
En el gráfico – :
1. Ubicar punto 1, punto de máxima curvatura.
2. Trazar la recta 2, tangente por el punto 1.
3. Trazar la recta 3, horizontal por el punto 1.
4. Trazar la bisectriz de la recta tangente 2 y la horizontal 3.
5. Prolongar recta de la curva virgen o curva normalmente consolidada.
6. La intersección de las rectas 4 y 5 determina en abscisas el valor de .
Figura 3. Determinación grafica de la carga de preconsolidación.
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MATERIAL Y EQUIPO
Maquina de carga
Un aparto apropiado para aplicar una carga vertical o
esfuerzos al espécimen.
Consolidometro
Con los ponentes mostrados en la figura, en donde el anillo tendrá las dimensiones
mínimas, que serán, una altura mínima de 12 mm y un diámetro mínimo de 45 mm.
Figura 4. Maquina de carga
Figura 5. Esquema del consolidometro.
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Micrómetro
Con una capacidad de lectura de 0.001 mm (Extensómetro).
Equipo para labrar la muestra (Cuchillo, espátula)
Balanza con aproximación a 1 gr
Cazuela
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PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
1. Evitar durante la preparación de la muestra alguna alteración en la
estructura del suelo.
2. Preparación de la probeta por tallado de una muestra inalterada: Se emplea
el anillo con un borde cortante. Se prepara en la muestra una zona con la
superficie horizontal de tamaño apreciablemente mayor que el diámetro
interior del anillo, con la precaución de mantener la orientación que tenia la
muestra en el terreno.
3. Se sitúa el anillo sobre la mencionada zona con el borde cortante en
contacto con la muestra.
4. Utilizando como guía la pared interior del anillo, se talla un cilindro cuyo
diámetro es aproximadamente el diámetro interior del anillo y de altura
superior a este.
5. Se va introduciendo el anillo en la muestra, hasta que esta sobresalga por la
parte opuesta del borde cortante, cortándola en seguida por debajo.
6. Determine el peso inicial del anillo más el material húmedo, en gr.
Imagen 6. Se puede ver la muestra
obtenida de una muestra inalterada.
Imagen 7. Se puede observar la forma de
pesar la muestra húmeda más el anillo.
Antes de la prueba.
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PROCEDIMIENTO
1. Preparación de los discos porosos: La preparación de los discos y otros aparatos,
dependerá de la muestra de suelo a la que se le aplicara la prueba.
2. Poner el consolidómetro en el aparto de carga y dejar durante 24 horas sin aplicar
cargas de consolidación.
3. Aplique el primer incremento de carga luego de 24 horas, anotando las lecturas del
micrómetro.
4. Una vez aplicados todos los incrementos de carga necesarios, se procede a quitar las
cargas en decrementos, de la misma manera que fueron aplicados.
5. Terminado la descarga seque la muestra en el horno y obtenga su peso seco
(anillo + suelo seco).
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CÁLCULOS Y RESULTADOS
Datos obtenidos de la lectura de los micrómetros.
Dia Carga Dia Carga Dia Carga
Izq. Der. Izq. Der. Izq. Der.
04/03/2008 12:35 p.m. 3,000 3,000 15'' 4,727 4,550 16/03/2008 08:05 a.m. 6,691 6,532
04/03/2008 12:40 p.m. 3,045 3,052 30'' 5,840 5,550 1' 0,25 kg 6,670 6,509
04/03/2008 01:50 p.m. 3,045 3,060 1' 5,885 5,585 2' 6,669 6,508
05/03/2008 08:05 a.m. 3,045 3,065 2' 5,995 5,597 4' 6,668 6,506
6'' 0,25 kg 3,240 3,165 4' 5,981 5,625 8' 6,668 6,505
15'' 3,245 3,168 8' 6,019 5,649 15' 6,665 6,502
30'' 3,247 3,169 15' 6,152 5,784 30' 6,663 6,501
1' 3,248 3,169 30' 6,177 5,798 60' 6,662 6,500
2' 3,249 3,169 60' 6,192 5,811 120' 6,661 6,499
4' 3,249 3,168 120' 6,201 5,821 17/03/2008 08:05 a.m. 6,658 6,492
8' 3,249 3,168 11/03/2008 08:05 a.m. 6,463 5,997 1' 0,00 kg 6,638 6,462
15' 3,243 3,162 6'' 4,00 kg 6,641 6,153 2' 6,620 6,459
30' 3,242 3,162 15'' 6,880 6,242 4' 6,618 6,458
60' 3,241 3,161 30'' 6,691 6,312 8' 6,615 6,452
120' 3,241 3,161 1' 6,692 6,350 15' 6,611 6,451
06/03/2008 08:05 a.m. 3,241 3,161 2' 6,695 6,430 30' 6,608 6,449
6'' 0,50 kg 3,270 3,175 4' 6,698 6,476 60' 6,605 6,445
15'' 3,271 3,176 8' 6,698 6,512 120' 6,604 6,444
30'' 3,271 3,176 15' 6,698 6,530 20/03/2008 08:05 a.m. 6,598 6,440
1' 3,272 3,176 30' 6,698 6,550
2' 3,272 3,176 60' 6,698 6,573
4' 3,272 3,176 120' 6,698 6,593
8' 3,272 3,176
15' 3,273 3,176 12/03/2008 08:05 a.m. 6,698 6,631
30' 3,273 3,177 1' 1,00 kg 6,698 6,589
60' 3,273 3,177 2' 6,698 6,588
120' 3,273 3,177 4' 6,698 6,585
07/03/2008 08:05 a.m. 3,273 3,177 8' 6,698 6,584
6'' 1,00 kg 3,378 3,210 15' 6,698 6,583
15'' 3,379 3,201 30' 6,698 6,581
30'' 3,380 3,202 60' 6,697 6,580
1' 3,381 3,202 120' 6,697 6,579
2' 3,382 3,201 10/03/2008 08:05 a.m. 6,696 6,578
4' 3,382 3,201 1' 0.50 kg 6,695 6,550
8' 3,383 3,200 2' 6,694 6,548
15' 3,385 3,200 4' 6,693 6,547
30' 3,386 3,200 8' 6,692 6,545
60' 3,387 3,200 15' 6,692 6,541
120' 3,387 3,200 30' 6,692 6,540
10/03/2008 08:05 a.m. 3,389 3,200 60' 6,692 6,540
6'' 2,00 kg 3,750 3,380 120' 6,692 5,538
Lectura
HoraIndicador
DESCARGA
HoraIndicador
Lectura Lectura
HoraIndicador
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Anillo Nº: 187 Diámetro del anillo: 8.75 cm Área del anillo: 60,13 cm2.
Altura del anillo: Altura de la muestra al inicio de la prueba: .
Peso Espec. Relat. de sólidos: Altura de sólidos=
Variación en la altura de la muestra del principio al final de la prueba :
Altura final de la muestra : .
Altura inicial del agua : .
Altura final de agua : .
Relación de vacios inicial :
Relación de vacios final :
Grado de saturación inicial :
DETERMINACION DE HUMEDAD ANTES DESPUES
1. Anillo Nº 187 187
2. Peso del anillo + suelo húmedo 411.5 535.75
3. Peso del anillo + suelo seco 385.8 385.8
4. Peso del agua (2-3) 25.7 149.95
5. Peso del anillo 194.3 194.3
6. Peso del suelo seco, Ws (3-5) 191.5 191.5
7. Contenido de humedad, W% (4/6) 13.42% 78.30%
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Grado de saturación inicial :
Para el cálculo de relaciones de vacios usaremos los siguientes valores:
ENSAYO DE CONSOLIDACION: Resumen de datos y cálculo
Tiempo transcurrido para cada incremento de carga. (Hr.)
Fecha en que se aplicó el incremento de carga
Presión p
kg/cm2
Lectura micrómetro
mm
Deformación mm.
correc. Por compresión
mm
deform. Corregida
Relación de vacios
04/03/2008 0,00 3,055
05/03/2008 0,25 3,201 0,146 0,019 0,127 0,011 0,998
06/03/2008 0,50 3,225 0,170 0,032 0,138 0,012 0,997
07/03/2008 1,00 3,295 0,240 0,052 0,188 0,016 0,993
10/03/2008 2,00 6,230 3,175 0,077 3,098 0,263 0,746
11/03/2008 4,00 6,665 3,610 0,103 3,507 0,297 0,712
DESCARGA
12/03/2008 1,00 6,637 3,582 0,104 3,478 0,295 0,714
13/03/2008 0,50 6,612 3,557 0,093 3,464 0,294 0,715
16/03/2008 0,25 6,575 3,520 0,084 3,436 0,291 0,718
17/03/2008 0,00 6,519 3,464 0,061 3,403 0,289 0,720
23,70 11,795
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SONDEO: N-3 PROFUNDIDAD: 1,10 m
Fecha de Ensayo:04/03/08
Edómetro N° 165
Peso especifico relativo de sólidos, Ss 2,7
Altura de sólidos (mm), Hs 11,8
Altura inicial de la muestra (mm), H1 23,70
Relación de vacios inicial e1 1,01
Altura final de la muestra (mm), H2 19,70
Relación de vacios final e2 0,67
Fecha en que se aplico el incremento de carga
05/03/2008
Tiempo transcurrido para c/.Incremento carga, Hr 24 Horas
Presión, p (kg/cm2) Relación de Vacios (e)
CARGA
0,25 0,999
06/03/2008 24 h 0,50 0,998
07/03/2008 24 h 1,00 0,994
10/03/2008 72 h 2,00 0,747
11/03/2008 24 h 4,00 0,713
DESCARGA
12/03/2008 24 h 1,00 0,715
13/03/2008 24 h 0,50 0,716
16/03/2008 72 h 0,25 0,719
17/03/2008 24 h 0,00 0,722
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GRAFICA DE LA CURVA DE COMPRESIBILIDAD
CONCLUSIONES 1. El ensayo de consolidación es importante para nosotros, sobre todo en
esta zona, donde abundan los suelos blandos y saturados.
2. En suelos no homogéneos, que su comportamiento es elástico, pueden
cambiar sus propiedades mecánicas con pequeñas variaciones en el
contenido de humedad, y carga.
3. Observando la grafica, hallamos que el 50% de la consolidación se
produce para una carga de 2 kilogramos.
0.7000
0.7200
0.7400
0.7600
0.7800
0.8000
0.8200
0.8400
0.8600
0.8800
0.9000
0.9200
0.9400
0.9600
0.9800
1.0000
1.0200
Rela
ció
n d
e v
acío
s, e
Carga aplicada, p (kg/cm2) Tramo de carga Tramo de descarga
0,25 0,50 2,00 4,00
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BIBLIOGRAFÍA
E. Juárez Badillo, 1969. Tomo I, 2da Edición “fundamentos de la mecánica de
suelos”
Norma internacional “ASTM D 2435 ‐ 90”
Norma internacional “ASSHTO T 216”